1.4.1. Полупроводниковый диод
По современным физическим понятиям, связанным с материаловедением в реальной действительности имеются следующие группы материалов: изоляторы, проводники, полупроводники.
Темы с описанием основных свойств этих трёх групп материалов можно найти в курсе лекций по учебной дисциплине АПОПК. В напоминание можно привести примеры собственных полупроводников: кремний, германий (природные – элементы группы IV таблицы Менделеева с соразмерным зарядом ядра), арсенид галлия (искусственный). Тезисно напоминаем, что в современной электронике используются примесные полупроводники в различных комбинациях. Примеси бывают двух базовых видов: донорные и акцепторные.
Примерами донорных примесей являются фосфор, мышьяк, сурьма (элементы 5 группы таблицы Менделеева с зарядом ядра «+5»). При легировании собственного полупроводника данным видом примеси часть ядер с зарядом «+4» замещается ядрами «+5+». При этом появляются избыточные электроны (по одному на каждое привнесённое ядро примеси). В результате получают полупроводник с избыточным количеством носителей отрицательного заряда (электронов) – примесной полупроводник с преимущественно электронной проводимостью или полупроводник n-типа.
При этом степень легирования – это количество внесенных примесей. При сильном легировании число основных носителей заряда (для полупроводника данного типа) должно быть на порядки большим, чем число не основных носителей.
Акцепторными примесями являются галлий, иридий, бор (элементы 3 группы таблицы Менделеева с зарядом ядра «+3»). При внесении примесей данного вида одна из ковалентных связей замещается так называемой «дыркой» (разорванная ковалентная связь – электрический заряд «+1»). Полупроводники, легированные акцепторной примесью, имеют избыток свободных носителей положительного заряда. Полупроводники с преимущественно дырочной проводимостью в инженерной практике принято называть полупроводниками p-типа. На не вполне удачном варианте представления p-n перехода, показанном на рисунке 24 (где идея концентрации атомов примесей вблизи перехода и т.д.?)
Ералаш!
Коровкин-?
Рис.24. Учебный вариант плоскостного диода (Коровкин – достаточно смешно)
У любого p – n перехода можно выделить так называемый металлургический барьер (этот барьер в современной микроэлектронике в большинстве случаев является диффузионным). Толщина барьера в любом случае составляет доли микрон. В области, расположенной вблизи барьера возникает пространственный электрический заряд. Причиной этого явления является переход свободных носителей через мембрану барьера. Очевидно, что действуют силы притяжения разнополюсных зарядов. По схеме, представленной рисунком 24, а) электроны переходят налево, «дырки» - направо. Результатом такого перехода является рекомбинация этих свободных носителей с ядрами, свободными от ковалентной связи. Окончательным итогом этого рекомбеционного перехода носителей заряда является образование в области перехода области пространственного заряда (ОПЗ) или обеднённой области. Обеднённой эту область поименовали потому, что носители заряда (по теории) перешли через барьер и рекомбинировали со свободными связями, в результате область обедняется носителями заряда. Пространственный заряд возникает в примембранной области из-за того, что атомы примесей в результате перехода и диффузии носителей заряда доминируют вблизи границы перехода. Так, по рисунку 24, а) слева от «мембраны» возникает «избыточный» отрицательный заряд. Обоснованием его возникновения служит «избыточное» наличие рекомбинированных («дырки» ушли направо по рисунку 24, а) атомов акцепторной примеси). Т.е., полновестный заряд «+3» избыточных атомов акцепторов определяет отрицательный пространственный заряд («-1» - каждый атом) слева от «мембраны», пространственный заряд - отрицателен. Аналогична ситуация и для правой по рисунку 24 области, области n – типа, определённой донорной примесью, пространственный заряд этой области положителен. Результатом является возникновение области пространственного заряда (ОПЗ), которое препятствует переходу электронов «справа - налево» по рисунку 24 и противоположному переходу «дырок».
Рисунок 24 отображает структуру плоскостного диода. Реальные современные приборы с использованием p-n перехода имеют далеко не плоскостную структуру. Например, точечный диод, где в легированный полупроводник либо вплавляется проводник, либо диффундируется примесь и как результат имеет место сферическая форма перехода.